PID溫度控制系統(tǒng)設計應用研究

渠長威++朱性福++蔣海洋

摘要：現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)中，溫度是各項控制參數(shù)中十分重要的一項，與工業(yè)安全生產(chǎn)、生產(chǎn)效率、節(jié)約能源有著直接聯(lián)系，溫度控制不好很可能導致整個生產(chǎn)的失敗。而溫度控制的實現(xiàn)方法和工具比較多樣化，PID是最常用的一種控制算法，因其結構簡單、穩(wěn)定性好、調(diào)節(jié)方便而成為工業(yè)控制的主流技術之一。但實際的工業(yè)生產(chǎn)中，控制對象往往有著不確定性、非線性、時變性等，PID往往由于復雜的數(shù)學模型，在溫度控制上存在一定的局限。本文對PID溫度控制系統(tǒng)展開研究，對PID的基本原理進行介紹，并結合了模糊控制的方法，結合PID形成模糊PID控制，研究這一溫度控制系統(tǒng)。

關鍵詞：PID；溫度控制；參數(shù)；采集

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0021-01

1 前言

PID控制是比例、積分、微分控制的簡稱，其發(fā)展歷史悠久，控制原理簡單、直觀，而且有很好的控制性能，具有較高的性價比，在工業(yè)溫度控制過程中被廣泛使用。液壓油是工廠液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)，其穩(wěn)定的工作需要保持在合理的溫度范圍內(nèi)，一般工廠的液壓系統(tǒng)工況溫度在35℃～55℃之間。當溫度過高時，系統(tǒng)的氧化速度加快，將會大大降低液壓油的壽命，也容易造成橡膠密封件快速老化，帶來一定的泄露風險，而另一方面，如果溫度過低，則會導致液壓泵起動和吸入困難，流阻增大。可見在工業(yè)化的生產(chǎn)過程中，液壓的溫度控制極為關鍵，傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)智能化不足，準確度和穩(wěn)定性不足，PID控制具有一定的穩(wěn)定性和準確性，本文也將就這一控制方式進行分析。

2 PID控制原理分析

PID控制方法主要由控制器和被控對象組成，其中給定明確的r（t）和實際輸出值c（t）是控制偏差，基于PID控制方法對偏差進行比例、積分、微分的運算，實現(xiàn)最終的控制目標。

比例作用關乎到PID控制的穩(wěn)定性，響應速度等指標，比例調(diào)節(jié)的特點在于當系統(tǒng)有偏差時可以迅速的響應降低偏差，其值越大，調(diào)節(jié)反應速度也越快，但如果過大則會影響穩(wěn)定性，過小則會導致其修正作用降低。

積分增益關乎于控制的精度，當誤差存在，積分增益將發(fā)揮重要的作用，可以消除出比例控制的靜差。增大時可以減小靜差，而過大時會導致穩(wěn)定性下降。

微分增益主要作用是預測誤差的變化趨勢，改善動態(tài)響應特性，減少調(diào)節(jié)時間，并且對噪聲干擾有一定的放大作用因而需要控制微分增益，防止過大而影響控制器的干擾穩(wěn)定性。由于PID的三個參數(shù)可以相互補償，這也決定了PID控制器參數(shù)的選取的靈活性。

模糊控制是人們在采用手動控制方式的基礎上，綜合給定量和被控制量之間的偏差，基于控制信號的對被控對象的控制作用，實現(xiàn)人腦決策的一種控制理論方法。人的控制行為可以通過語言描述來形成控制法則，用模糊集合來描述這些語言的規(guī)則，使得控制機理和策略易于接受與理解，并且不被復雜的數(shù)學模型所制約，起到增強控制系統(tǒng)的適應能力，將模糊控制和PID結合，可以適應復雜的工況和高指標的控制，并且相對于常規(guī)的PID控制響應時間更短、超調(diào)量更小，擁有較好的適應性，實現(xiàn)更加智能化的控制目的，實現(xiàn)對溫度的調(diào)節(jié)。

3 PID控制設計

3.1 硬件架構

主控制芯片采用嵌入式微處理器AT9lRM9200，包含了檢測、顯示、通訊、存儲、電源、數(shù)據(jù)交換等模塊內(nèi)容。其中溫度穿感激收集溫度信號，經(jīng)過控制算法經(jīng)過數(shù)據(jù)轉換模塊輸出到執(zhí)行機構，經(jīng)過PID模糊控制來實現(xiàn)控制溫度的目的。

（1）溫度檢測模塊。溫度檢測是信號端發(fā)揮著重要的作用，主要是對控制對象進行溫度檢測，并將溫度檢測結果傳輸?shù)街行奶幚砥鳌囟葯z測可以采用熱電偶溫度數(shù)字轉換芯片，如冷端補償?shù)腒型熱電偶MAX6675，具有高精度和高穩(wěn)定性。（2）存儲模塊。存儲模塊主要由NORFlash、SDRAM、NANDFlash三部分組成。SDRAM是操作系統(tǒng)和應用程序的運行空間，可以理解為一個電容，總是傾向于放電。NANDFlash主要存儲采集的數(shù)據(jù)以及應用程序，NORFlash用來存儲系統(tǒng)啟動程序和系統(tǒng)內(nèi)核。（3）通訊與顯示模塊。通訊模塊主要是為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，由串口電路，JTAG電路和以太網(wǎng)接口電路三部分組成。顯示模塊主要用于以通過觀察輸入輸出溫度的實時顯示數(shù)據(jù)。

3.2 處理流程

數(shù)據(jù)采集完成之后，需要對液壓設備溫度進行控制，防止過高或者過低。控制器采用上述的PID控制，通過設置參數(shù)，對比例P、積分I、微分D進行初始化，設定和控制溫度。采用模糊PID控制算法對檢測到的溫度數(shù)據(jù)進行處理，設計和確定模糊控制表，將其存儲進入主控制芯片處理器，最后通過模糊控制來調(diào)節(jié)溫度的自動控制。

4 結語

常規(guī)的PID控制方法有著一定的穩(wěn)定性，響應速度快，但在工業(yè)生產(chǎn)中，溫控系統(tǒng)往往會呈現(xiàn)出非線性、時變性和滯后性，這就使得常規(guī)的PID控制下難以適應多變的環(huán)境工況。模糊控制具有一定的優(yōu)勢，不被復雜的數(shù)學模型所制約，有著較好的適應能力，模糊控制和PID的結合，有效的提高了系統(tǒng)對非線性、時變性和不確定性的處理能力，實現(xiàn)更高效率的智能化控制。

參考文獻

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